微电子机械系统研究领域的最新进展——IEEE MEMS 2018国际会议综述

太赫兹科学与电子信息学报 Vo1．16，No．2

，2018 2018年4月 Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology Apr．

微电子机械系统研究领域的最新进展

—IEEE MEMS 2018国际会议综述

宋宇，张海霞*

(北京大学 微米/纳米加工技术国家重点实验室，北京 100871)

通讯作者：hxzhang@pku.edu.cn

18年1月21日至25日在英国贝尔法斯特会展中心举行(见图1)，吸引了来自世界各国相关领域的600余位专家学者，共同探讨微纳传感工艺等领域的最新进展与科学前沿。此次会议的大会主席由来自瑞士电子与微技术中心(CSEM)的Michel Despont教授与爱尔兰都柏林城市大学的Jens Ducrée教授共同担任，并设置了最佳口头报告奖与最佳张贴报告奖，得到了国际电气与电子工程协会（IEEE）与IEEE机器人与自动化学会等多个国际组织的大力支持。

图1 MEMS 2018会议开幕式

1 MEMS 2018会议技术概述

MEMS 2018国际会议从1月21日至25日，历时五天，包括大会特邀报告、分专题口头报告以及张贴报告等内容，会议主题分为6大类，包括生物医学微机电系统、材料工艺与封装技术、执行器与能量微机电系统、电磁应用器件、物理传感器与微/纳流体等领域，几乎涵盖了微机电系统领域的所有研究方向。本次会议共接收到来自全世界28个国家和地区的摘要投稿874篇，采用双盲审机制，经过技术委员会38名专家认真细致的评审工作，共有347篇文章被会议收录，其中86篇文章被选为大会口头报告，261篇文章被选为海报张贴报告，会议整体录用率为40%。值得一提的是，本次会议共收录来自中国大陆的文章63篇，占到会议总收录文章数的20%左右，充分体现了我国在微机电系统领域的迅猛发展[1]。

按照MEMS会议的传统，MEMS 2018同样只设置一个主会场，会议流程则包括4个大会特邀报告、15个分专题口头报告和3个海报展示环节。在大会开始环节，大会主席首先对本届MEMS 2018会议进行了全面的介绍，值得一提的是，会议参会人员数量达到了历年在欧洲举办该会议的第二高值，论文接受量与投稿量也保持了稳步提升，一系列数据也显示了微机电领域迅猛发展的态势。在会议开幕仪式的最后，大会主席还宣布了来自日本东北大学的Shuji Tanaka教授被新近评选为IEEE院士，以表彰其在声表面波器件、物理传感器以及微能源采集技术等领域的贡献。此外，2018年度IEEE协会Robert Bosch奖则颁发给了来自荷兰代尔夫特理工大学的Pasqualina M. Sarro教授。

图2 大会特邀报告人

为了推动微机电领域的学科交叉与行业交流，MEMS 2018会议邀请了来自学术界与工业界的四位科学家进行大会特邀报告(见图2)，分别为来自日本东京大学的Hiroyuki Fujita教授、英国格拉斯哥大学的Jonathan M.

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，2018 2018年4月 Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology Apr． Cooper教授、德国Bosch公司的Franz Laermer研究员、以及美国IBM研究中心的Matthias Steffen研究员，共 同对各自从事的领域进行了最新成果的分享，同时对未来相关技术发展趋势进行了探讨，为与会人员今后的研究思路提供了方向性指导。此外，86篇口头报告文章按照研究方向不同，分为15个分专题口头报告顺序展开，261篇张贴文章则分为三个时间段进行集中海报展示，为了鼓励大家积极分享，共同进步，大会还设有最佳口头报告论文奖与最佳海报张贴论文奖。

2 大会特邀报告

Hiroyuki Fujita教授---从想法到应用：微机电系统的研发周期

作为微电子机械系统(MEMS)领域的泰斗，Fujita教授自2009年出任日本东京大学工业科学研究院院长，同时兼任微系统研究中心负责人，多次担任微机电系统相关会议大会主席并荣获多项微纳领域重要奖项，是亚洲微纳传感领域当之无愧的领军人物之一。Fujita教授将于2018年退休，因而本次大会特意邀请他为年轻学者带来一场结合其多年MEMS领域研究历程的名为“从想法到应用：微机电系统的研发周期”的大会报告。

作为在MEMS领域研究多年的学者，Fujita教授认为科研成果的取得是一个循序渐进的过程，如图3所示。首先我们需要想到一个新的想法，这个想法可能之前并没有人尝试过或者由于技术条件曾经失败过，我们需要将这个概念在实验室条件下，结合当前工艺技术的发展水平进行验证。我们知道，现在的科学研究需要多学科的交叉与不同背景下科研人员的共同努力，一个MEMS器件的研发同样如此，考虑到MEMS技术已逐渐发展成为一项涉及微电子学、机械学、材料学、力学、声学、光学、电子信息等多种学科的综合领域，并集成了当今科学技术许多尖端研究成果，因此多学科之间的交叉融合显得格外重要。之后，则需要经过不断地实验测试与方案完善，在大量实验尝试的积累下，使得量变引起质变，实现先进器件的制备与新工艺的提出，而在这样的一个研发过程中，先进的器件和工艺的提出往往又会带来新的研究想法，形成了研发周期的正反馈，促进MEMS领域的快速蓬勃发展。

图3 科研成果的研发周期

如图4所示，Fujita教授还带领大家回顾了微机电系统的发展进程，从费曼著名的演讲“There is plenty of room at the bottom”开始，MEMS技术发展至今已有50余年，开辟了一个全新的技术领域与产业。在最初的发展阶段，一批学者孜孜以求、锲而不舍地在微电子机械化和机械微型化的道路上探索，随着硅基器件湿法刻蚀的提出与完善，通过大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片制作了第一批硅基微压力传感器。由于薄硅片振动膜在压力下变形，会影响其表面的压敏电阻走线，这种变化可以把压力转换成电信号，可以用于触发汽车安全气囊和定位陀螺仪。而到了80年代，MEMS领域进入了一个较为快速的发展时期，不但得到了各国政府的充分关注，并且与之相关的各项技术也得到了大力发展，其中，1987年加州大学伯克利分校研发的硅微静电马达是一个重要的里程碑，科研人员也相继制备出各种加速度计、红外成像仪等器件。之后，MEMS领域进入了多元化的时代，射频微机电系统、光学微机电系统、生物微机电系统乃至纳机电系统等概念被不断提出与实现。进入21世纪以来，MEMS的发展趋势则是产品应用的进一步拓展，并开始向航天、医疗、通讯等领域扩张，MEMS工艺还可以进一步与集成电路工艺兼容，从而发展成为微智能系统。基于以上特性，用硅微加工工艺在一片硅片上同时可制造出成百上千个微型机电装置或完整的微机电系统也是完全可行的，而批量生产可以大幅度降低成本，把不同功能、不同敏感方向的多个微传感器、微执行器或微电子器件集成于一体，形成稳定可靠的微机电系统，势必将拥有更为广阔的应用前景。

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图4 MEMS发展历史

他在报告的最后表示，他作为见证者看到了三十年来MEMS领域的快速发展，深刻意识到从创意的想法到

出色的应用之间所需要付出的努力，从最初想法的原始独创性，到与当前研究工艺发展水平之间的匹配，进一步与来自不同学科背景的团队成员之间深度的交流与讨论，才能制备出先进的器件、发展出优化的工艺。纵观整个MEMS领域的历史，正是在一次次的想法到应用的循环中，逐步发展壮大起来的，并促使MEMS工艺器件从实验室走向市场，用科学进步来造福人类。

3 突破性进展

3.1 可穿戴健康监测设备

随着经济社会的快速发展，人类对于自身健康水平的关注也日益提升，应用于生物医疗领域的MEMS器件逐渐成为近年来微米/纳米工程领域的研究热点。基于微加工技术制造的各类监测与传感器件，往往具有体积小、能耗低、价格低廉等显著优势，广泛应用于从基因识别、药物运输到信号监测、电子皮肤等诸多领域，在生命健康等医疗系统中发挥着举足轻重的作用。

近年来，针对肌肉训练与监测的电肌肉刺激器件受到了越来越多的关注，传统的电肌肉刺激器件多采用导电凝胶用来增加皮肤与器件之间的粘附力并降低接触电阻，但是这种方式面临一些问题。首先，凝胶层本身的厚度对于器件的贴附与取下过程带来了很多麻烦，而多次重复使用后，凝胶层的粘附力下降并且接触电阻显著提升，无法达到有效刺激肌肉的效果。其次，对于电刺激之后肌肉的活动情况的监测，多采用测量皮肤表面电流的方法，输出信号很小难以测量且与电刺激肌肉器件的生物兼容性很差。因此，来自日本国家先进科学技术院(AIST)的Takeshi Kobayashi教授课题组针对传统电刺激肌肉器件面临的阻碍，做了题为“可穿戴肌肉训练与监测器件”的大会报告，提出了一种集成电刺激肌肉器件与肌肉信号监测传感器的贴片器件，具有很好的柔性，并可以直接贴附于人体表面，实现了对肌肉同时的刺激与监测功能(见图5)。

图5 基于电肌肉刺激器件与压阻应变传感器的可穿戴器件[2]

对于电刺激肌肉器件部分，课题组采用织物电极结构，首先对织物表面进行图案化处理，在特定区域内附着一层粘附层，之后将镀银的纤维通过喷涂的方式使其附着在粘附层上，烘干后即可得到所需的织物电极。这种织物电极的接触电阻可以满足器件要求，且在多次贴附与取下的过程中，接触电阻几乎没有改变，相比于之前的凝胶层结构有了非常显著的提升。而对于肌肉信号监测器件部分，课题组采用MEMS工艺，制备了一种超薄压阻式硅基应变传感器，同时具有一定的柔性，通过测试可以发现，施加的应力与传感器电阻变化之间具有良好的线

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，2018 2018年4月 Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology Apr． 性关系，因而可以对肌肉的形变做出准确快速的响应。进一步将基于织物电极的电刺激肌肉器件与基于压阻应变的信号监测传感器集成到同一衬底，这种可穿戴贴片可以直接贴附在人体表面，通过外界电信号的改变可以同时刺激肌肉运动并对运动信号实时监测。实验观察得到，随着电刺激电压增大，应变传感器所对应的信号显示肌肉收缩幅度更大且响应更为灵敏，两种器件的信号频率保持一致。但是，随着电刺激的信号频率提高到80 Hz时，肌肉只能做出50 Hz的收缩响应，说明这种情况下肌肉已经始终处于收缩状态。通过电刺激信号的调整优化，这种可穿戴肌肉训练与监测器件可以进一步应用于残疾人与复健人群的肌肉负重训练，实现智能家用医疗与实时信号监测的效果。

图6 集成太阳能电池的光学应力传感器用于人体形态识别[3]

此外，韩国科学技术院(KAIST)的Inkyu Park教授课题组也针对人体形态识别，设计了一系列基于光学信号的压力传感器。在“柔性光学压力传感器及可穿戴人体形态识别器件”工作中(如图6所示)，设计了一种基于多孔弹性体的柔性光学压力传感器，并进一步与光伏电池相集成，实现了自驱动的压力传感。在原始状态下，由于多孔弹性体的存在导致了光的散射，底部的光伏电池产生的光电流很小，而随着多孔弹性体受到一定的压力，其光学透射率在压缩状态下会显著增加，因而光散射效应会有所降低，光伏电池会相对应的产生更大的光电流。显然，施加的压力与产生的光电流之间存在一定的联系，通过实验可以进一步得到该柔性光学压力传感器的灵敏度、响应时间与准确度等一系列信息，可以应用于可穿戴人体形态识别当中。研究人员将这一自驱动传感设备置于人体食指关节处，在手指弯曲伸直的过程中，可以通过光伏电池的光电流信号的变化来得到关节运动信息，在室内环境光源之下即可实现实时的形态识别。这种将光学器件与压力传感器件相结合的想法，为拓展可穿戴设备发展方向与提升系统整体性能优势提供了一种全新的思路与研究方法。

3.2 高精度静电计

随着MEMS传感器近年来的快速发展，基于单自由度谐振器建立的传感器受限于当前工艺能力与技术条件，精度已经接近现阶段的极限，难以继续提高，如测量加速度的加速度计以及测量电荷量的静电计。来自西北工业大学的常洪龙教授课题组经过多年的探索研究，提出将多种单自由度谐振器耦合串联起来，利用其模态局部化效应将微小扰动(即传感器输入)所引起的振动能量集中于受激谐振器的某个模态，放大输出信号，可以提高特征态检测灵敏度2-3个数量级，精度极限同样提高了2-3个数量级(见图7)。

图7 基于模态局部化效应的静电计结构及其刻度因子曲线[4]

基于该原理，课题组设计研制出国际上第一个模态局部化加速度计，大幅提高了硅基微MEMS加速度计的精度极限，这一工作受到了国内外研究学者的广泛关注，MEMS领域顶级期刊编委、模态局部化技术专家、英国剑桥大学Seshia教授在MEMS 2018的论文意见中评价，这是世界上第一个发表的模态局部化加速度计，为形成基于模态局部化效应的新型惯性传感器奠定了基础。课题组基于该原理设计出了超高精度静电计，其中，电荷量检测是所有电学检测与测试的基础，而电子(e)是最小的电荷量，被称为元电荷。课题组报道了一种基于三自由度弱耦合谐振器的静电计，在室温下实现了9.21e分辨率的检测，超过目前商用的最高精度静电计(美国Keithley 6517A，分辨率为63000 e)五个数量级，与最近报道的高精度谐振式静电计(分辨率16200 e)相比，分辨率同样提

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，2018 2018年4月 Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology Apr． 高了4-5个数量级。更为重要的是，这个高分辨率是在300万个电子的宽动态范围测试下取得的，其在基础物理研究、电子测量、空间探测等领域具有极为重要的应用前景。

3.3 微流体技术与芯片实验室

微流体技术是指在微观尺寸下控制、操作和检测复杂流体的技术，是在微电子、微机械、生物工程和纳米技术基础上发展起来的一门全新交叉学科，广泛应用于生物、化学、材料、医疗等各个领域。自20世纪90年代问世以来，有关微流体技术方面的研究不断增加，相关产品层出不穷，微流体技术已经成为实现医疗诊断、药物输运、生物研究等系统小型化、集成化、自动化的关键技术。因此，有关微流体技术领域的最新研究进展成为此次MEMS 2018会议的重点内容之一。

来自天津大学的栗大超教授课题组针对现在的微流体芯片制备工艺复杂，造价昂贵等问题，在大会上作了题为“便签贴式微流体：一种面向复杂微流体系统的集成工具箱”的报告。他在报告中提到，现有的一些模块化微流体设计都存在一些限制，包括在芯片互联时无法承受过高压力以及通道中存在液体残余而带来负面结果等问题，因此，需要找到一种解决复杂微流体系统的方法，既有集成系统的高性能，又具有模块化电子良好的柔性与便携性。课题组提出了一种新型的制备微流体芯片的方法，即使用一个包含各种牺牲层模具的工具箱，利用现有的便签贴式微流体具有的可重构能力，根据需求将其进一步修饰，提供了一种简便柔性的微流体商业化的解决方案。与之前一片式系统与模块化微流体相比，便签贴式微流体同时具有了柔性与优异性能，并且造价大幅降低，具有更低的时间成本。基于此，课题组进一步设计了一种一体式便携工具箱，包含了不同的便签贴模具、输入输出端口、需要的溶剂与PDMS以及各类实验用具。值得一提的是，每一个部分都有一个序列号与特定的二维码，扫描二维码即可得到更多的性能与使用方法，因此，制备工艺中的所有材料与条件都可以在工具箱中得到满足，实现了一种自给式微流体平台的制备方法，如图8所示。

图8 便签贴式集成微流体系统制备工艺及工具箱模型[5]

此外，微流体技术也正在广泛应用于生物、医疗等领域，对于现有的细胞生物研究，利用培养皿进行细胞的培养是一种通用而成熟的方法，这种方式具有很多优点，包括易于观察实验进度、方便进行液体操作而不需要复杂的设备。但是，这种传统方式培养的细胞多为单层结构，并不能很好的适应实际的三维生存环境，而微流体技术可以利用悬滴液为细胞培养提供三维环境，是一种非常有前景的方式。基于此，来自台湾国立清华大学的Chia-Hsien Hsu教授课题组发表了题为“利用滑动悬滴芯片生成具有特定溶液浓度的悬滴液”的工作，提供了一种在易制备的独立微流体芯片中进行三维细胞培养与药物测试的新方法。这种器件无需外部设备，可以直接产生具有浓度梯度的液体，对三维培养的细胞进行药物测试。如图9所示，该芯片由上下两层PDMS组成，上层负责提供细胞悬滴液通道、补偿介质腔与药物腔，并通过设计不同的尺寸得到可以填充十种不同浓度液体的腔体；底部的PDMS层则提供悬滴液产生的气孔与流体通路，使液体可以填充进上层腔体中。课题组采用“滑片”概念来操作该器件，使得上下两层紧密封装起来，中间夹住的一层硅油可以起到滑动润滑的作用并防止液体泄漏。借助于荧光素表征方法，不同浓度的悬滴液中的药物扩散过程可以通过模拟与实验结果共同验证，药物溶液与细胞培养基混合大约需要30分钟，因此，这种自发产生浓度梯度的微流体器件显示出其在三维细胞培养与药物测试中的优势，具有大规模制备与低成本市场化的可能。

图9 基于微流体的悬滴液生成芯片用于细胞培养与药物检测[6]

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3.4 微型能量器件

随着近年来柔性能量采集与存储技术的快速发展，高性能的微型能量器件也成为研究的热点领域，本次会议上，各国的研究小组也针对高性能能量采集技术、稳定持久能量存储技术等方向发表了最新的研究进展。而为了更好的与可穿戴设备相结合，研究人员也将研究重点放在了以下几个方面，包括各种能量转化机制下的高效能量采集技术、集成化的能量采集与存储单元相结合的加工技术以及新特性新应用的进一步探索等。

针对人体运动能量的采集，科研人员基于振动能量采集原理，设计了多种可穿戴式低频能量采集器，其中，旋转式结构可以最大程度地提高能量采集效率，通过进一步与驻极体发电机相结合，来自日本东京大学的Yuji Suzuki教授课题组发表了题为“用于收集胳膊摆动等人体运动能量的旋转式驻极体发电机”的报告，通过印刷电路板工艺，分别为转子和定子部分设计并制备了图案化电极，并将其进一步应用于人体运动能量的采集。如图10所示，不锈钢转子部分由一对预装在器件中心的微型滚珠轴承做支撑，整体旋转部分厚度仅为3.3毫米，仅为之前各类旋转式能量采集器厚度的一半。定子部分则通过印刷电路板工艺实现，电路板同时作为提供电荷的驻极体与衬底，而为了减小相邻叉指电极之间的寄生电容，课题组采用低介电常数的电路板作为集流体电极。通过进一步的仿真优化，确定穿孔数量与寄生电容大小，并结合印刷电路板工艺条件，将叉指电极分辨率定为50 μm，将两部分封装后即可得到旋转式能量采集器件。该器件可以佩戴在人体手腕处，在行走的过程中，胳膊摆动的机械能即可被有效采集，并通过后端信号处理与无线传输电路，实现能量采集与信号提取的功能，为进一步监测人体运动状态与集成其他低功耗可穿戴器件提供了一种潜在的解决方案。

图10 旋转式驻极体发电机用于收集人体运动能量[7]

对于智能可穿戴系统，除了高效的能量采集器件，制备具有新特性新功能且长期稳定工作的能量存储器件显得同样重要。而在各种柔性能量存储器件之中，超级电容器凭借其快速能量传输能力、稳定的充放电性能以及制备工艺简单等优势，成为了一种备受研究学者推崇的解决方式。来自加州大学伯克利分校(UC Berkeley)的林立伟教授课题组针对纤维状超级电容器设备进行了一系列的尝试，并发表了题为“应用于三维能量存储器件的半透明可折叠超级电容器研究”的工作。为了满足超级电容器在各种环境下工作的稳定性，课题组提出了一种简便且低成本的加工方式，得到了具有半透明且超薄特性的超级电容器，在各种物理形变下仍然可以保持很好的稳定性，并可以进一步裁剪或折叠为剪纸或可拉伸的三维结构，拓展了超级电容器在可穿戴电子中的应用能力。通过制备多孔碳纤维结构电极，并进一步与凝胶电解质相结合，制备的三明治结构超级电容器具有半透明的特性，器件展现了极好的循环稳定性与电化学性能。考虑到实际应用时工作环境的不确定性，进一步测试了器件在部分剪切、折叠以及压缩状态下的可靠性，在多次测试下，仍然保持了稳定的电化学性能，而超级电容器自身良好的机械性能也使其具有可拉伸性与转变成三维结构的可能性，通过特定的剪纸或折纸图案化设计，二维的超级电容器可以拓展成三维结构，并与各类能量采集器件相集成，通过能量管理电路高效存储能量，实现了从能量采集到能量存储的自充电能量单元结构，如图11所示。这种半透明可折叠的超级电容器，进一步扩宽了能量存储器件的形态范围，为各类可穿戴系统提供了更多可能的尝试。

图11 半透明可折叠式超级电容器及其在微型能量系统中的应用

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4 总结

IEEE MEMS国际会议是国际微电子机械系统领域水平最高、规模最大的系列学术会议[9-10]，而MEMS 2018则是本年度微机电领域的一次盛会，它的成功举办标志着微纳米科技已经成为了改变人们生活和思维方式的重要技术之一。它促进了最新研究成果的共享，推动了跨领域学科交叉与知识沟通，带动了MEMS领域的快速发展。通过此次会议，我们可以将微机电领域的发展趋势归纳为以下四点：(1)新工艺及新封装技术不断涌现，极大的提升了器件可靠性与稳定性；(2)医疗应用器件结合愈发紧密，可穿戴健康设备前景广阔；(3)多学科交叉融合，针对特定应用场合，开发新型传感器与执行器；(4)小型化、功能化与智能化相结合，强调集成低功耗系统优化与整合。

MEMS 2018会议对于国内外相关领域的发展产生了深远的影响，为国内研究人员同国际先进同行之间提供了良好的交流契机，拓展了我国在传感器与微系统领域的研究视野，激励了更多年轻科研人员的研究热情，进一步促进了我国微机电领域的持续快速发展。据悉，下一届IEEE MEMS国际会议将于2019年1月在韩国首尔举办，届时必将吸引更多相关领域的一流专家学者共同参与，让我们共同期待微机电领域蓬勃发展，为人类社会发展开启的崭新篇章。

参考文献：

[1] Proceeding of The 31th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS 2018). Belfast, UK, 2018. [2] Takei Y, Yoshida M, Takeshita T, Kobayashi T. “Wearable muscle training and monitoring device”. IEEE MEMS 2018, 2018: 55-58. [3] Kwon D, Na K, Kang K, Lee J, Park I. “Flexible optical pressure sensor and its application to wearable human motion detecting

device”. IEEE MEMS 2018, 2018: 893-896.

[4] Yang J, Kang H, Chang H. “A micro resonant electrometer with 9-electron charge resolution in room temperature”. IEEE MEMS

2018, 2018: 67-70.

[5] Lai X, Lu B, Yu H, Li D. “Sticker microfluidics: a toolbox of combinable sacrificial templates for instrument-free customization of

complex microfluidic systems in one-piece”. IEEE MEMS 2018, 2018: 148-151.

[6] Tang C, Fu C, Hsu C. “Generation of hanging drops with defined solution concentrations using a sliding hanging drop chip”. IEEE

MEMS 2018, 2018: 55-58.

[7] Miyoshi T, Adachi M, Suzuki K, Liu Y, Suzuki Y. “Low-profile rotational electret generator using print circuit board for energy

harvesting from arm swing”. IEEE MEMS 2018, 2018: 230-232.

[8] Shin D, Shen C, Sanghadasa M, Lin L. “Semi-transparent foldable supercapacitor for 3D structured energy storage devices”. IEEE

MEMS 2018, 2018: 653-656.

[9] IEEE MEMS 2018 conference Website: www.mems2018.org. [10] 全球华人微米纳米技术合作网络(CINN)：Http://www.CINN.cc.